公路軟土路基沉降規律及施工控制

唐 予

(廣東冠粵路橋有限公司,廣州 511400)

0 引言

公路建設呈現典型的條帶式分布特征，這決定了公路構筑物常會穿越各類復雜的工程地質條件環境，其中不乏軟土分布區域。而軟土路基存在沉降量大、穩定性不足、變形不均勻以及承載能力差等缺陷，也是目前公路建設及路面基層處治相關領域亟待解決的重點性問題[1-2]。一定區劃范圍內分布的路基軟土往往具有相通性，這是由土體應力發展歷史和沉積環境相似引起，此類軟土的各種物理力學性質也較為接近，因而針對某一區劃范圍內路基軟土工程指標進行系統分析可有效指導公路工程的建設和施工控制。廣東省龍川-懷集公路TJ20標段分布的路基土體屬于中高壓縮性軟土，具有靈敏度高、承載力低等典型軟土特征，無法直接作為公路建設工程的路基持力層使用。因此，須按照現行公路路基設計規范的要求，對工程范圍內的路基軟土進行針對性的加固處治，確保各項指標滿足規范要求。

針對路基軟土變形及沉降特征的研究，劉松玉[3]等利用廢棄木質素用以加固改良公路路基粉土，并與石灰土改良結果相對比，分析摻配比例、木質素齡期等要素對其加固改良效果的影響規律；ZHANG TAO[4]等將木質素副產品用于穩定加固路基粉質土壤，在土體試驗中和傳統土壤穩定劑Quicklime加固效果相對照，以彈性模量及CBR指標進行量化描述；張昭[5]等針對非飽和土體提出水土體積比的概念，改進現有模型，并基于此分析了力-水耦合本構關系規律；高游[6]等著眼于初始孔隙比在各水力路徑條件下對粉土水土特征曲線試驗數據的影響展開研究，認為該條件下的水土特征曲線展現出典型的滯回規律；張繼周[7]等在分析路基軟土室內檢測及試驗數據的基礎上，研究了軟土多項物理及力學參數變化特征規律；張濤[8]等在對比大量軟土沉降數據的基礎上，總結提出了對應的沉降擬合公式，可實現軟土沉降規律的預測；經緋[9]等通過水泥攪拌樁加固方案對路基軟土、并對處治后的軟土沉降規律進行分析，評價了水泥攪拌樁加固法的軟土處治性能；Sun[10]等在微觀力學層面展開分析，對比了顆粒規則化處理及不同微觀接觸方案對軟土力學性能產生的影響。

綜上所述，針對軟土路基沉降規律、軟土加固方案及加固效果評價的研究方面已有豐富成果，但在針對軟土路基的不同加固方案適用性對比及相應的加固處治效果對比方面，仍不多見。

本文基于現有研究基礎，結合廣東省龍川-懷集公路TJ20標段沿線相關路基工程地質狀況，采用水泥攪拌樁加固法及換填加固法兩種方案對公路軟土路基進行加固處理。針對加固后的軟土路基進行沉降監測，通過荷載試驗驗證兩種公路軟土路基處治方案的加固效果，以得出其沉降變化情況及各方案對應的適用場景，為類似公路軟土路基加固處治及施工方案的選擇提供經驗借鑒。

1 路基軟土的工程特性

廣東省龍川-懷集公路設計為雙向四車道，設計時速為100km/h，主線整體式路基寬度26m，其中TJ20標段主線樁號為K163+300～K175+245.617，全長11.945km。線路途徑廣泛分布且發育完全的軟土區域，涉及到須處理的軟基段落長3.26km。經分析，該處軟土類別屬花崗巖區軟土，此類軟土常發育于谷地和沖溝等低洼區域，并且大多伴隨著強烈的風化作用，最終在沖擊作用下形成，主要表現為淤泥質砂土，風化殼厚度25～45m，殘積土厚度5～15m。該路基軟土主要呈現為軟塑狀，也有部分呈現為流塑狀，平均厚度4m，最深處可達9m。

結合現場踏勘資料以及軟土室內試驗結果，得出該工程范圍內的軟土物理力學指標(表1)。

表1 路基軟土物理力學指標

該工程范圍內路基軟土的土質包括黏性土、淤泥質黏性土以及砂質黏性土等三類。其中淤泥質黏性土的液限基本上小于土體天然含水率，而黏性土、砂質黏性土的液限值通常高于天然含水率，按照相關分類標準[11]，分別屬于高液限黏性土和低液限黏性土。

工程范圍內的上述三類軟土，均具有含砂量高的特點，并夾雜有碎石層或砂礫層，透水性差、壓縮性高且含水率高，如不加以處理直接應用于路基填土，存在沉降量大、穩定性不足、變形不均勻以及承載能力差等缺陷。

2 軟土路基加固處治方案

2.1 水泥攪拌樁加固法

選擇路基工程建設范圍內軟土厚度在3～7m的試驗段，采用水泥攪拌樁加固法進行軟土處治。此試驗段內的路基軟土類別為粉質黏性土，下臥花崗巖及砂質黏土層等不透水層。水泥攪拌樁加固方案可有效提升路基軟土的承載能力，具有施工效率高的特點，其適用深度一般在3.0～9.5m范圍內，與所選試驗段軟土深度相匹配。

試驗段的水泥攪拌樁樁徑為0.5m，樁長為6.5m，樁體間距為1.2m，水灰比為0.50，成樁采用“四噴四攪”方案。配合比設計水泥、水和土的質量比為1.0:0.5:4.4。

2.2 換填加固法

選擇路基工程建設范圍內平均軟土厚度為2.5m的試驗段，采用換填加固方案進行軟土處治。此試驗段內的路基軟土類別為淤泥質黏性土，下臥強-中風化花崗巖及3～4m厚度的粉質黏土，整體承載能力偏低。之所以針對該試驗段采取換填加固方案，首先考慮到換填法的施工難度較低、施工效率高、質量控制穩定、經濟效益良好；其次，換填法加固方案的適用深度在3.0～4.5m范圍內，與所選試驗段軟土深度相匹配；最后，該試驗段路基軟土分布范圍小且分布深度較淺。

工程沿線分布有廣泛的河砂、碎石、花崗巖殘積土以及風化花崗巖等，均適用于作為基層的換填材料。為充分利用周邊自然資源，降低換填成本，并考慮到施工便利性等因素，選取周邊碎石、花崗巖殘積土以及風化花崗巖三類材料作為換填材料，其物理力學指標檢測結果見表2,均滿足路基設計規范[12]中針對換填材料的相關要求。

表2 換填土物理力學指標

填筑過程中，低于基坑地下水位處的換填材料選用片石，表面平整部位則選用碎石換填材料，即：將片石用于基坑上部0.4～1.6m范圍內的換填，在其上表面設置0.3m厚度的碎石換填平整層，在碎石層以上則換填花崗石殘積土直至路面標高。換填過程中采用分層填筑的施工方案。

3 沉降變形及承載力分析

3.1 水泥攪拌樁加固方案

在采用水泥攪拌樁加固方案的試驗段，采取沉降盤觀測法對路基軟土加固沉降進行監測，根據沉降實測數據得到荷載-沉降曲線，如圖1所示。

從圖1可見，對應的路基軟土沉降分為發生、發展以及穩定三個階段。在發生階段，荷載相對較小，此時路基土體變形類別為彈性變形，直到45d左右，路基沉降量達到111mm，最終的總體沉降量為218mm。隨后荷載提升，隨著對應加載時間的推移，孔隙水逐步被排除后引發超靜水壓的消除，路基軟土開始發生壓縮變形，此時的路基土變形類別轉化為塑性變形，其沉降速率減緩。隨著285d后填筑結束，荷載最終穩定在177kPa，此時的沉降量達198mm，但固結仍未完成，此時的路基土變形類別可劃分為蠕變，直到380d，這期間的沉降量僅增加20mm，最終完成固結過程。此外，路基軟土的荷載和沉降曲線具有相關性，兩者均隨著分級填筑呈現出階梯上升的趨勢。

在采用水泥攪拌樁加固方案的試驗段還選取了代表性的單樁進行承載能力監測，總荷載為300kPa，其荷載-沉降曲線如圖2所示。

從圖2可見，單樁隨荷載逐級增加至總荷載300kPa期間的總體沉降量僅7.7mm，50%沉降量3.5mm對應的荷載為75kPa，即初期沉降量較為明顯，這是因為路基軟土的初始含水率相對較高引起的，表現為早期沉降速率較快。經分析，單樁承載力可滿足規范要求。

圖2 單樁(總荷載300kPa)荷載-沉降曲線

3.2 換填加固方案

綜合考慮路基填土高度、軟土路基處治方案以及周邊工程地質條件，在采用換填加固方案的試驗段選取4個監測面，其中中線左右兩側11m處各2個，縱向間隔50m，采用沉降板埋設的方法對換填法處治加固后的軟土沉降變形量進行監測和分析。軟土路基加固處治后的沉降監測數據見表3。

表3 換填加固法沉降變形監測數據

分析表3數據可見：沉降板A處的累計沉降量達22.06mm，與之同側的沉降板C地面上1.6m標高處的累計沉降量為16.03mm，沉降板B地面上4.9m標高處的累計沉降量為12.43mm，沉降板D地面上4.8m標高處的累計沉降量為14.82mm，表明總體沉降的發生主要由軟土路基部分構成，經過振動碾壓的上部填土部分沉降量則相對較低。即沉降板上填土高度越大，將導致相應路堤荷載提升，進而引發總體沉降量增加。此外，近似相等的同等水平板上填土高度對應的累計沉降量同樣存在差別，這是由兩側路基地質條件的差別引起的。

在采用換填加固方案的試驗段選取3個試驗點進行標準貫入試驗，以驗證其承載能力。3個試驗點間隔25m，對應的標準貫入試驗數據如圖3～圖5所示。

圖3 試驗點1標準貫入試驗結果

圖4 試驗點2標準貫入試驗結果

圖5 試驗點3標準貫入試驗結果

由圖3～圖5可見，換填期間3個試驗點的標準貫入平均擊數分別為11.6擊、14.4擊以及13.7擊，地基承載力分別為358kPa、357kPa以及342kPa。換填竣工后，3個試驗點換填土層的標準貫入擊數顯著提升，分別達到19.6擊、16.6擊以及16.3擊，其對應的地基承載力分別為544kPa、420kPa以及381kPa，相較于換填期間也有了明顯的提升，提升率分別達到了52.0%、17.6%以及11.4%。換填期間和換填竣工后的地基承載力均超過設計值。

換填期間的標準貫入次數在深度2.5m以下時皆呈現出與深度正相關的趨勢，深度在2.5m以上則與之相反，這是源于2.5m處設定為換填層，在其后深度繼續增加，則地下水帶來的影響也逐漸削弱。換填竣工后，換填土在荷載作用下更加密實，所能提供的承載力也隨之增長。

4 結語

(1)水泥攪拌樁加固方案適用于3.0～7.0m厚度范圍的軟土分布路段，處治后沉降與軟土壓縮特性及含水率相關，前45d沉降量可達50%。

(2)換填加固方案適用于平均軟土厚度為2.5m的軟土分布路段，總體沉降量中以軟土沉降量為主，換填土沉降量相對較小。

(3)兩種加固方案均能確保處治后的軟土路基具備足夠的路基承載力。